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面向超寬帶的MAC協(xié)議加速器設計

2008-07-02
作者:吳耀輝,許志浩,蔡宇,梁豐

??? 摘 要: IEEE802.15.3被認為是UWB技術的MAC協(xié)議可選方案之一,然而它并不完全適應于UWB的物理層,為此本文設計了一個新穎的MAC協(xié)議加速器" title="協(xié)議加速器">協(xié)議加速器。它把MAC層分成兩個子層:上層MAC(UMAC)和下層MAC(LMAC)。UMAC實現(xiàn)一些定時不敏感的MAC功能;而LMAC實現(xiàn)那些需要實時響應的MAC功能。性能分析表明吞吐量、延時等參數(shù)得到了明顯改善。
??? 關鍵詞: 超寬帶" title="超寬帶">超寬帶? UMAC? LMAC? 協(xié)議加速器

??? 超寬帶(UWB)傳輸技術給無線通信帶來了革命性的推動。UWB主要基于激勵無線電(IR)技術,在短距離通信中使用極短脈沖(皮秒持續(xù)時間)以獲得很寬的頻段。當前,為了使各種潛在應用,如雷達、無線辦公室組網(wǎng)、無線家庭組網(wǎng)等受益,IEEE802.15.3被看作是UWB的MAC協(xié)議的一種可選方案。UWB的物理層(PHY)特性有高數(shù)據(jù)速率、皮秒脈沖、高信道獲取時間(即實現(xiàn)發(fā)射機和接收機之間的位同步時間)等,它給MAC協(xié)議設計帶來了極大的挑戰(zhàn)[1]。
??? 傳統(tǒng)上,一個網(wǎng)絡接口卡(NIC)包括一個RF(無線電頻率)電路、基帶處理器和MAC控制器。其中RF和基帶處理器實現(xiàn)物理層功能;MAC控制器實現(xiàn)802.15.3 MAC功能,它也控制RF和基帶的狀態(tài)和操作模式[2]。然而,目前的802.15.3協(xié)議不能完全發(fā)揮UWB的物理層特性。為了滿足UWB物理層傳輸要求,IEEE802.15.3高速任務組正在改進802.15.3。所以,把所有的802.15.3 MAC功能通過MAC控制器來實現(xiàn),這種做法的可升級性和靈活性較差。
??? 本文設計了一個新穎的MAC協(xié)議加速器,把MAC層分成兩個子層:上層MAC(UMAC)和下層MAC(LMAC)。UMAC把MAC協(xié)議中一些定時不敏感的功能從硬件平臺" title="硬件平臺">硬件平臺移到了主機側(cè),和網(wǎng)卡驅(qū)動程序放在一起,如把MAC管理算法移到主機側(cè);LMAC作為網(wǎng)絡接口卡(NIC)的MAC控制器,實現(xiàn)需要實時響應的MAC功能。另外,采用系統(tǒng)優(yōu)化的跨層設計方法,對LMAC功能進行了優(yōu)化,例如增加虛擬載波偵聽模塊,并且通過固件" title="固件">固件增加硬件平臺的靈活性。
1 超寬帶的MAC協(xié)議可選方案802.15.3
??? 802.15.3是為無線個域網(wǎng)(WPAN)設計的MAC協(xié)議,其任務是針對消費者圖像和多媒體應用制定高速率短距離技術,達到所需的物理層數(shù)據(jù)速率和滿足媒體接入控制層(MAC)的QoS需求。
??? 802.15.3 MAC協(xié)議支持微微網(wǎng)、提供多媒體QoS和支持功率管理。802.15.3的時間安排基于超幀,如圖1所示。超幀由三部分組成:

??? (1)信標(Beacon):用來為微微網(wǎng)發(fā)送時間安排和傳送管理信息。信標由信標幀組成。
??? (2)競爭接入期(CAP):用來傳輸超幀中當前的命令和/或異步數(shù)據(jù)。
??? (3)信道時間分配期(CTAP):包括管理信道時間分配(MCTAs)和一般數(shù)據(jù)信道時間分配(CTA)。
??? 802.15.3被認為是當前UWB技術的MAC協(xié)議可選方案之一。但是,現(xiàn)有的802.15.3不是UWB的最理想的MAC方案。如802.15.3中定義短幀間間隔為10?滋s,當UWB數(shù)據(jù)傳輸速率在50Mbps以下時,這個間隔比較合理;但是當UWB數(shù)據(jù)傳輸速率達到480Mbps時,10μs的間隔對UWB來說太大了。另外,UWB的其他特性,如低功耗下工作、具有相當精確的測距能力等,可能需要新的MAC功能定義及與傳統(tǒng)MAC功能完全不同的實現(xiàn)方法。因此,本文設計了一個MAC協(xié)議加速器,可以靈活地配置和升級UWB的MAC協(xié)議。
2 MAC協(xié)議加速器設計方案
2.1 傳統(tǒng)的MAC協(xié)議設計方案
??? 傳統(tǒng)上把802.15.3作為面向超寬帶的MAC協(xié)議,并且所有的MAC功能都在MAC控制器實現(xiàn)。其方案如圖2所示。

??? 由于目前的802.15.3協(xié)議不能完全發(fā)揮UWB的物理層特性,所以這種方案成本高,可升級性差。
2.2 MAC協(xié)議加速器設計方案
??? 通過對傳統(tǒng)的MAC設計方案的改進,設計了MAC協(xié)議加速器,把MAC層分成UMAC和LMAC兩個子層。其方案如圖3所示。

??? 其中UMAC功能實現(xiàn)的是一些定時不敏感的MAC功能。如MAC管理算法,用軟件在主機側(cè)實現(xiàn),和網(wǎng)卡驅(qū)動程序放在一起。管理算法可以自主開發(fā),也可以使用第三方軟件,可隨時升級為先進的管理算法。而LMAC用硬件實現(xiàn)那些需要實時響應的MAC功能,即NIC的MAC控制器。并且對LMAC的部分功能進行了協(xié)議改進,如增加虛擬載波偵聽模塊。整個LMAC通過固件增加硬件平臺的靈活性,用FPGA實現(xiàn)。
3 MAC層功能劃分及設計
??? UWB最關鍵的技術是帶寬能達到480MHz,因此處理高速率數(shù)據(jù)是MAC設計的基本需求。為了實現(xiàn)這個目標,必須合理地進行UMAC層和LMAC層功能定義,否則接收器將不能處理幀接收,接收器的幀緩沖器將溢出,從而出現(xiàn)誤幀。
3.1 UMAC層功能定義
??? 通過研究802.15.3 MAC協(xié)議可以看到,MAC層包括MAC層數(shù)據(jù)實體和MAC層管理實體(MLME)。MLME的許多功能都對定時要求不嚴格,所以可以被劃分到UMAC。在MLME中,開始、維護、停止通信和關聯(lián)/去關聯(lián)等功能可以被延遲,且不會使性能惡化。例如,如果一個UWB節(jié)點(DEV)要與無線個域網(wǎng)協(xié)調(diào)器(PNC)關聯(lián),而UMAC處理由于一些原因被延遲,DEV關聯(lián)仍舊能成功。除了MLME,一些定時不敏感的MAC層數(shù)據(jù)功能也可以在UMAC實現(xiàn),例如MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)產(chǎn)生器可以被劃分到UMAC。由于MPDU產(chǎn)生器是為了把上層的業(yè)務數(shù)據(jù)單元(SDU)進行分段,而上層SDU也是軟件產(chǎn)生的,因此MPDU產(chǎn)生器的軟件實現(xiàn)可以及時地處理SDU。
??? UMAC有兩個通道,一個是數(shù)據(jù)通道,處理MAC層數(shù)據(jù)幀" title="數(shù)據(jù)幀">數(shù)據(jù)幀和檢測信道狀態(tài);另一個是管理通道,處理MAC管理幀,并控制MAC層行為。
3.2 LMAC層功能定義
??? 數(shù)據(jù)幀由UMAC產(chǎn)生,而信標幀、命令幀和確認幀的傳輸、接收和處理,必須被分到LMAC用硬件實現(xiàn)。在802.15.3中,數(shù)據(jù)幀、命令幀以超幀的形式傳輸;同時,在LMAC里添加了虛擬載波偵聽模塊,以提高超寬帶系統(tǒng)載波偵聽困難的缺點。除此之外,WEP模塊用來對MAC幀解密或加密,因其定時要求較高而被列到LMAC層。MAC層同步不能被看作UMAC功能,因為DEV狀態(tài)可能要立即交換,所以把它列到LMAC層。
??? 通過UMAC層和LMAC層功能定義,對MAC層功能進行劃分,如圖4所示。

3.3 LMAC層硬件設計
??? 雖然軟件實現(xiàn)速度比較慢,但其實現(xiàn)靈活且經(jīng)濟。硬件實現(xiàn)快速,也能獲得高性能,但其占用更多的芯片,并且不容易升級。所以,UMAC層放在主機側(cè)通過軟件實現(xiàn),而LMAC放在網(wǎng)卡側(cè)通過硬件實現(xiàn)。本文使用ARM平臺實現(xiàn)LMAC層硬件功能,以提高系統(tǒng)靈活性,體系結(jié)構(gòu)如圖5。

??? 圖5結(jié)構(gòu)中,對802.15.3協(xié)議進行了增強,如添加了虛擬載波偵聽模塊,以提高超寬帶系統(tǒng)載波偵聽困難的缺點。另外,ARM微處理器的總線結(jié)構(gòu)使得增加其他外圍設備很容易。通過這些改進達到了硬件協(xié)議加速的目的。其中硬件平臺的設計流程為:(1)研究802.15.3 MAC協(xié)議,并針對UWB應用進行增強;(2)根據(jù)改進的MAC協(xié)議用規(guī)范化描述語言(SDL)來實現(xiàn);(3)下層MAC(LMAC)協(xié)議向ARM平臺的移植。首先把SDL設計翻譯成C/C++代碼,接著把C/C++代碼映射到RTOS的某個任務,然后把RTOS傳輸?shù)酱褂玫腁RM硬件平臺上。
??? 通過該硬件平臺,可以很方便地實現(xiàn)LMAC功能。如ACK幀的處理,通過從前一個數(shù)據(jù)幀(如DestID、SrcID、流索引等)提取一些信息,Tx/Rev調(diào)度程序產(chǎn)生ACK幀。雖然ACK需要在2?滋s內(nèi)發(fā)送,現(xiàn)在卻可以很容易地實現(xiàn),因為ACK產(chǎn)生過程是純硬件的。當一個信標幀到達時,協(xié)議加速器將產(chǎn)生一個ARM中斷,中斷程序會給ARM發(fā)送指令。在固件控制下,Tx/Rev可以實時地提取信標幀內(nèi)的所有信息,并且重新設置LMAC狀態(tài),如CAP開始時間和持續(xù)時間。通過ARM上的固件和PIC接口,Tx/Rev也能提取UMAC中的微微網(wǎng)信息。
??? 本文提出了一個面向超寬帶的MAC協(xié)議加速器設計方案,并給出了協(xié)議分析、設計方法和LMAC硬件結(jié)構(gòu)。本協(xié)議加速器在兩方面實現(xiàn)了協(xié)議加速:一方面是通過把MAC協(xié)議中一些定時不敏感的功能從硬件平臺移到了主機側(cè),增加了系統(tǒng)的靈活性,減輕了硬件平臺的負擔,實現(xiàn)了協(xié)議加速;另一方面采用系統(tǒng)優(yōu)化的跨層設計方法,對硬件平臺中的MAC功能進行了優(yōu)化,并且通過固件增加了硬件平臺的靈活性,實現(xiàn)了協(xié)議加速。
??? 通過建立硬件模塊,MAC設計可以實現(xiàn)UWB鏈路的所有性能,并且硬件費用很低。目前,已經(jīng)建立了一個SDL模型來模擬和驗證整個MAC層功能,并正在構(gòu)建一個Verilog HDL模型。模型可以把部分硬件行為提取到高層,而保留重要的硬件特性。詳細的實驗有待進一步開展,以評估整個MAC系統(tǒng)的運行性能,包括數(shù)據(jù)速率、速度、芯片大小和節(jié)省功率等。
參考文獻
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